Медицина

Комары помогли создать биогибридный нос, который сможет «унюхать» рак

“Столетник” | 22.02.2021
Благодаря квантовому скачку в развитии искусственного интеллекта и вычислительного оборудования, ученые смогли в некоторой степени адекватно дублировать наши основные чувства с помощью машин:
  • Компьютерное зрение и биоинженерные сетчатки объединились для поддержки искусственного зрения
  • Умное протезирование имитирует прикосновение, боль, давление и другие кожные ощущения
  • Слуховые аппараты становятся все более способными отделить определенные нужные звуки от общей какофонии шумов.
В этом списке определенно не хватало обоняния. И хотя в животном мире человеческую способность нюхать вряд ли сочли бы выдающейся и уникальной (нюх животных тоньше), тем не менее, мы можем уловить примерно один триллион запахов. Для этого достаточно, чтобы всего одна молекула вещества попала в нос. Несмотря на все усилия, ученым до сих пор не удавалось воплотить эту способность в цифровой, искусственный компьютерный «нос».

Для чего пригодились комары?

Группа ученых в области нейробиологии и молекулярной инженерии из Японии задалась вопросом: а что, если вместо того, чтобы пытаться восстанавливать обоняние с нуля, просто не использовать то, что уже создала эволюция? Их новая статья в «Science Advances» рассказывает именно об этом. Они взяли у комаров вида Aedes aegypti, известных разносчиков желтой лихорадки, компоненты обонятельной системы, которые отвечают за восприимчивость и чувствительность к запахам. Затем они создали специальный чип и осторожно разместили эти биологические компоненты при помощи биогеля на нем, и подключили его к компьютеру.

Выяснилось, что чип может обнаруживать запахи с беспрецедентной чувствительностью. Поскольку каждый биологический компонент, чувствительный к запаху, адаптирован к своему любимому химическому веществу, теоретически можно использовать один 16-канальный чип для обнаружения более квадриллиона смесей запахов!

Artificial-Intelligence-Driven-Investing-High-Alpha-behind-the-Buzz.png

Ученые добавляют, что с помощью искусственного интеллекта этот биогибридный датчик может быть значительно усилен для анализа все более сложных смесей химических веществ в самых разных целях:
  • для мониторинга окружающей среды
  • в качестве алкотестера
  • для оценки качества и безопасности напитков и продуктов
  • для выявления болезней
  • для мониторинга здоровья

Маэстро обоняния из животного мира

Обонятельная система живых существ нашей планеты — это эволюционное «произведение искусства». Хотя конкретные биологические установки у разных видов различаются, общая схема почти одинаковая. Все начинается в носу, он густо забит обонятельными клетками, спрятанными высоко в наших носовых ходах. К каждой клетке подсоединен «нейронный провод» для передачи информации вверх по цепочке. По внешнему контуру каждой клетки расположены белки, называемые обонятельными рецепторами. По сути, это «умные» туннели, которые соединяют внешнюю среду с клеткой, а затем и с нашим мозгом.

Каждый туннель или рецептор приспособлен к одному химическому запаху. Обычно он закрыт. Когда запах - скажем, ванилин, точнее - доминирующее химическое вещество ванили, проникает в носовой ход, он цепляется за свой предпочтительный рецептор. Это действие открывает рецепторный туннель, и сигнал отправляется в мозг по нейронным проводам.

А теперь возьмем что-нибудь более сложное по запаху, например, свежеиспеченный пирог с корицей и яблоками. Уже множество молекул запахов открывают каждая свой туннель в рецепторах, и все их сигналы одновременно несутся к мозгу. Мы вдыхаем и понимает, что на десерт нас ждет вкуснейший пирог. Именно так наши 400 или около того обонятельных рецепторов могут улавливать триллион различных запахов. Ключевой механизм – сочетание. Именно это вдохновило японскую команду на создание нового искусственного «носа».

Как это работает?

Вместо того, чтобы реконструировать человеческий обонятельный рецептор, команда обратилась к комарам. Дело в том, что их обоняние намного совершенней, чем у человека. Это позволяет комарам улавливать запахи с более высокой чувствительностью, они могут за несколько метров подобрать себе оптимальную на вкус, цвет и даже температуру «мишень».

Ученые реконструировали обонятельные клетки комаров. Затем они использовали синтетическую биологию, чтобы с нуля создать рецепторы комаров с использованием ДНК. Эти рецепторы встроены в поверхность обонятельных клеток. И вся конструкция была наложена на чип.

shutterstock_145005193.jpg

Дальше все похоже на то, как мы улавливаем запах:
  • рецепторы на поверхности клеток улавливают каждый свою молекулу
  • по их «туннелям» запах передается в клетку
  • из клетки по нейронному проводу на чип отправляется сигнал
  • чип отправляет сигнал на компьютер

Будущее, в котором можно будет «унюхать рак» и другие болезни

В одном из экспериментов ученые отправили в свой биогибридный нос молекулу запаха октенола и запомнили сигнал, который он передал на компьютер. Октенол часто обнаруживается в дыхании онкологических больных.

Затем они пригласили добровольца интенсивно дышать в резервуар, воздух из которого направлялся в искусственный нос. Реакции на октеонол не было, так как участник эксперимента был абсолютно здоров. Однако, как только в этот резервуар была добавлена крошечная частица октенола, бионический «нос» немедленно передал на чип сигнал, указывающий на его присутствие.

В конечном итоге команда надеется использовать свое изобретение как доступный и портативный способ ранней диагностики заболеваний. При раке и других проблемах со здоровьем (например, эндокринологических и, прежде всего – сахарном диабете) запах тела может резко измениться. Именно по запаху собаки и другие животные с более обостренным обонянием, чем наше, могут обнаруживать проблемы со здоровьем на ранних стадиях. Именно это свойство используется при обнаружении собаками наркотиков в общественных местах (например, в багаже пассажиров в аэропорту).

Биогибридный нос открывает качественно новые возможности в ранней диагностике заболеваний, криминалистике, научных изысканиях.

Текст: Юлия Долженкова.
0 комментариев 0
Загрузка комментариев...
Получайте последние новости!